Moku高精度相位计-数字相位差测量仪

▍Moku相位计介绍

相位计， 物如其名就是用来测量相位的仪器。这种强大的工具在多种高级的科学和工程应用中都很重要，例如光学计量、相干合成技术、偏移相位锁定、振荡器频率噪声表征等。

测量相位的方法很多， 例如使用时间间隔分析器、频率计数器或示波器。每种方法的复杂度和性能都不同，数字锁相环相位计是一种现代解决方案，能对动态信号进行高灵敏度的测量。

这篇文章将介绍Liquid Instruments团队开发的Moku相位计-在FPGA上实现数字锁相环。这款相位计非常适合对1kHz到数百MHz范围内的信号进行表征，还能同时测量信号的相位、频率和振幅。Moku相位计基于澳大利亚国立大学物理系Daniel Shaddock教授在NASA喷气推进实验室工作期间位卫星干涉测量开发的技术，这项技术被用于LISA引力波探测器和GRACE Follow-On项目。LISA是一个计划中的引力波探测项目。GRACE Follow-On项目目前正在轨道上，监测由于质量分布的变化引起的地球重力变化，使科学家能够对气候变化的影响产生新的认识。

这样的卫星干涉测量项目对相位测量有非常苛刻的要求，它们必须在接收到极弱光功率的情况下实现极高的灵敏度，通常还需要很大的动态范围。在卫星干涉测量中，臂长也在不断变化，会增加大量的位移信号，但也会耦合大量的激光频率噪声。相位测量系统需要近乎完美的线性度，因为在许多情况下，最终需要的测量结果要经过大量的数据处理才能得到。

多年来，时间间隔分析仪一直被用于相位测量的解决方案，然而对于有宽带噪声的信号来说，时间间隔分析仪的性能并不理想。

那么锁相放大器表现如何呢？光学和光子学实验中经常需要多通道精确的频率和相位测量方案用于信号读取和/或实时反馈控制应用。锁相放大器因为其简明且灵活的带宽选择被经常用作相位检测器。然而，它并不提供直接的频率读数，而且对于某些闭环系统，它的线性动态范围非常有限。锁相放大器确实在处理噪声方面很有效，因为它能够进行窄带滤波从而消除所需频率以外的噪声。不过，在涉及相位变化超过一个周期的动态信号时或者当频率超出滤波带宽时，相位检测器可能变得非线性，并产生相位缠绕效应效应。当信号偏离滤波器中心时，还可能出现信号衰减和相位误差。更强大的架构则是数字锁相环，这也是Moku相位计的基础。它具有锁相放大器的所有优势，但没有相位缠绕或非线性的问题，还可以在极广泛的频率范围内跟踪信号。它能提供极大的动态范围和零死区时间。对于低信噪比信号来说，还能实现比传统频率计数技术更高精度的测量。了解Moku相位计和锁相放大器之间的差异，请查阅此应用说明。

Moku相位计是基于FPGA开发的Moku平台上集成的仪器功能之一，除相位计外还提供了十几种仪器功能集成在一个设备中，从而实现最大程度地提升灵活性、性能和寿命等一系列优势。Moku相位计用于测量并提供信号与本地参考之间的相位和频率差的准确测量，能在微周期范围内提供相位灵敏度，相当于皮米级激光干涉位移测量精度。即便存在大量激光频率噪声，它仍能维持这样的精度。

相位计还是激光相位锁定应用的理想设备，例如在相干应答器或相干合成技术系统中。数字锁相环的在相位检测方面具有几乎无限的线性动态范围，还可以在需要时提供高带宽的反馈控制。有效地将相位感测控制系统与激光驱动器带宽解耦，使具有大信号动态特征的激光能够实现稳定的相位锁定。

此外，Moku相位计还可以通过测量相位、频率和振幅，实现对系统的全面表征。通过内置的数据记录仪，它可以轻松记录高达150 kSa/s的数据。或者在多仪器模式下将相位计和专用数据记录器串联达到高达2 MSa/s的记录速度。如果您需要信号特性的实时频域信息，Moku相位计也可以满足您的需求。功率谱密度图可以将数据迅速可视化，或者切换到Allen方差图，对于表征振荡器稳定性非常有效。

相位计功能可在所有Moku设备上使用，从我们的得力之作Moku: Lab，还有我们的旗舰产品 Moku: Pro，专为需求最复杂的应用所设计。点击官网比较对比几款设备配置，选择最符合您需求的系统。所有Moku设备都支持软件升级，利用软件定义的测试仪器的优势，即时获得新的性能并随着实验的演变随时启用新的功能，一键下载便能尽享所有。